沈 慧 南京郵電學(xué)院 南京210003
摘 要 隨著第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)逐步實(shí)施，移動(dòng)通信未來(lái)的發(fā)展及演進(jìn)問(wèn)題成了研究熱點(diǎn)。本文綜合分析了從現(xiàn)有通信系統(tǒng)向4G通信系統(tǒng)演化過(guò)程中所面臨的難題，以及為了解決這些難題所提出的技術(shù)，并且預(yù)見(jiàn)了4G通信系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。
關(guān)鍵詞 3G 4G IMT-2000 QoS
一、為什么要向4G通信系統(tǒng)演化
伴隨著移動(dòng)通信技術(shù)和移動(dòng)通信市場(chǎng)的迅速發(fā)展，越來(lái)越多的國(guó)家已經(jīng)開(kāi)始部署第三代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)即3G網(wǎng)絡(luò)。在3G網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)IMT-2000中，概括了3G的主要特點(diǎn)：寬帶互聯(lián)，終端的移動(dòng)性增強(qiáng)以及能夠提供比2G更豐富多彩的服務(wù)。但是3G卻面臨一個(gè)嚴(yán)峻的環(huán)境，即由于3G運(yùn)營(yíng)牌照的昂貴和缺乏像2G中的語(yǔ)音和短消息這樣成功的業(yè)務(wù)，導(dǎo)致了移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商們不敢冒險(xiǎn)全面快速的部署3G網(wǎng)絡(luò)。這就給了其他無(wú)線技術(shù)發(fā)展的機(jī)會(huì)，例如：無(wú)線局域網(wǎng)（WLAN）和藍(lán)牙（Bluetooth）。
隨著無(wú)線技術(shù)的種類(lèi)越來(lái)越多，我們迫切需要將這些無(wú)線技術(shù)整合到一個(gè)統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中去，這就是正在形成的B3G通信系統(tǒng)和未來(lái)的4G通信系統(tǒng)。B3G和4G通信系統(tǒng)將是未來(lái)提供寬帶接入，全球無(wú)縫漫游和無(wú)處不在的數(shù)據(jù)，語(yǔ)音業(yè)務(wù)的最合適和最好的技術(shù)。
二、演化過(guò)程中的難題及解決方法
向4G系統(tǒng)的演化面臨很多關(guān)鍵的難題，例如：網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的提升，信令協(xié)議的增強(qiáng)，要提供端對(duì)端的服務(wù)質(zhì)量保證（QoS），全球范圍內(nèi)的無(wú)線漫游以及富有彈性的服務(wù)提供。而實(shí)現(xiàn)這些最基本最重要的就是物理層技術(shù)的演化。雖然現(xiàn)在的2.5G和3G技術(shù)可以將傳輸速率由348kb/s提高到2Mb/s，但是當(dāng)系統(tǒng)繁忙時(shí)的傳輸速率卻不會(huì)超過(guò)171kb/s。這個(gè)速率可以滿足基本的語(yǔ)音，數(shù)據(jù)通信和無(wú)線Internet接入的要求，卻不能滿足互動(dòng)的多媒體服務(wù)的要求比如視頻會(huì)議。
為了提高物理層傳輸速率，現(xiàn)在提出的技術(shù)包括：（1）TDD-CDMA即time division duplex (TDD) mode of the code division multiple access(CDMA)。TDD-CDMA能夠提供不對(duì)稱的上下行鏈路傳輸，簡(jiǎn)化了為了提高下行鏈路覆蓋而進(jìn)行的天線部署，能夠?yàn)榛竞?a class="channel_keylink" href="/search.asp">移動(dòng)終端提供更加先進(jìn)的接收技術(shù)。（2）OWSS即OWDM Spread Spectrum。OWSS主要是通過(guò)OWSS脈沖（pulse）來(lái)進(jìn)行通信，而這個(gè)脈沖是在OWDM和擴(kuò)頻概念結(jié)合的基礎(chǔ)上產(chǎn)生的。這一技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)有能夠在頻率選擇性衰落環(huán)境下提供固有的健壯性，由于脈沖的寬頻譜特性從而可以更加有效的進(jìn)行均衡等等。
除了對(duì)于物理層的要求，4G網(wǎng)絡(luò)同樣對(duì)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和上層協(xié)議棧提出了要求，對(duì)應(yīng)于這一要求已經(jīng)提出的技術(shù)有transparent IP Radio Access即透明的IP無(wú)線接入。
對(duì)于4G網(wǎng)絡(luò)中的QoS，目前以下兩種解決方案。一種是采用無(wú)線適配層，另一種是采用自適應(yīng)終端和QoS代理。在第一種方案中，IP業(yè)務(wù)與經(jīng)過(guò)的所有網(wǎng)絡(luò)建立QoS合同，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)通過(guò)在IP層與RAT之間增加無(wú)線適配層（WAL）來(lái)保證各自的QoS合同，從而保證端到端的QoS。不同網(wǎng)絡(luò)需要的WAL不同，但具有相同的結(jié)構(gòu)和操作模式，一般包括傳輸/鏈路層控制機(jī)制（負(fù)責(zé)補(bǔ)償不同的無(wú)線媒體損耗，提高可靠性及網(wǎng)絡(luò)吞吐量）和業(yè)務(wù)控制機(jī)制（負(fù)責(zé)根據(jù)業(yè)務(wù)延時(shí)要求進(jìn)行資源優(yōu)先級(jí)分配）。WAL是一個(gè)開(kāi)放的解決方案，可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)和業(yè)務(wù)要求，增加或刪減處理模塊，模塊的功能和屬性也可采用軟件無(wú)線電技術(shù)進(jìn)行自適應(yīng)配置和升級(jí)。第二種方法采用自適應(yīng)終端和QoS代理，QoS代理位于無(wú)線接入網(wǎng)中，當(dāng)終端檢測(cè)到另一種更適合的網(wǎng)絡(luò)模式時(shí)（包括重疊網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)情況的模式切換和跨多網(wǎng)絡(luò)時(shí)的模式間漫游），通知當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)中的QoS代理與新網(wǎng)絡(luò)中的QoS代理進(jìn)行業(yè)務(wù)QoS協(xié)商，協(xié)商完成時(shí)，新網(wǎng)絡(luò)中的QoS代理已通知資源管理控制模塊進(jìn)行相應(yīng)的資源預(yù)留，自適應(yīng)終端也根據(jù)協(xié)商的結(jié)果，自適應(yīng)地調(diào)整其業(yè)務(wù)參數(shù)，然后進(jìn)行模式轉(zhuǎn)換（即網(wǎng)間切換），每次切換時(shí)進(jìn)行同樣操作也可保證端到端的QoS。
三、4G通信系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)
4G通信系統(tǒng)的目標(biāo)是為每個(gè)人提供綜合的寬帶業(yè)務(wù)，并在業(yè)務(wù)獲得及網(wǎng)絡(luò)性能上提供前所未有的靈活性。因此我們可以由這一目標(biāo)來(lái)看4G通信系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。
1. 高速互聯(lián)的趨勢(shì)
為了滿足第四代移動(dòng)通信的速率及容量要求，必須研究可以提供最大150Mb/s傳輸速率的新的寬帶無(wú)線接入系統(tǒng)。各種移動(dòng)寬帶技術(shù)的研究及系統(tǒng)創(chuàng)建是邁向第四代移動(dòng)通信的關(guān)鍵步驟，這些系統(tǒng)可以在室內(nèi)（或室外）環(huán)境為UMTS提供容量（或覆蓋范圍）補(bǔ)充，既滿足第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)對(duì)寬帶傳輸?shù)囊螅挚梢酝ㄟ^(guò)衛(wèi)星系統(tǒng)達(dá)到無(wú)所不在的覆蓋。上述系統(tǒng)研究的另一個(gè)共同特征是促進(jìn)端到端的IP應(yīng)用，基于共同的IP平臺(tái)，使不同網(wǎng)絡(luò)和技術(shù)可以便易地融合，使未來(lái)移動(dòng)系統(tǒng)成為一個(gè)真正的基于IP的多媒體寬帶無(wú)線接入系統(tǒng)。
2. 網(wǎng)絡(luò)集成的趨勢(shì)
網(wǎng)絡(luò)的集成包括了網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)，網(wǎng)絡(luò)功能的綜合和構(gòu)建多重網(wǎng)絡(luò)。未來(lái)的寬帶無(wú)線接入系統(tǒng)將包括許多互聯(lián)或綜合的子系統(tǒng)，為固定和移動(dòng)用戶提供無(wú)縫的寬帶業(yè)務(wù)，這些子系統(tǒng)包括上述可提供高速數(shù)據(jù)速率的各種移動(dòng)寬帶系統(tǒng)（MBS）、固定無(wú)線接入（FWA）系統(tǒng)、寬帶衛(wèi)星多媒體（BSM）以及可支持高速移動(dòng)的UMTS和GSM等。這些起初都為不同的應(yīng)用領(lǐng)域創(chuàng)建的，并向不同的方向發(fā)展。隨著網(wǎng)絡(luò)的融合演進(jìn)以及用戶對(duì)寬帶無(wú)縫接入的需求，這些系統(tǒng)將基于IP不斷地互聯(lián)和綜合，互聯(lián)是為了提供無(wú)所不在的覆蓋，網(wǎng)絡(luò)綜合主要指網(wǎng)絡(luò)功能的綜合，使每個(gè)子系統(tǒng)都可以提供相同的業(yè)務(wù)，可以為相同的用戶服務(wù)（GSM、UMTS不能提供寬帶業(yè)務(wù)，但可通過(guò)下面將提到的構(gòu)建多重網(wǎng)絡(luò)策略實(shí)現(xiàn)，而GSM、UMTS可以為同一范圍內(nèi)的低速率數(shù)據(jù)用戶服務(wù)以節(jié)省寬帶系統(tǒng)的資源），雖然各自采用不同的結(jié)構(gòu)和接入技術(shù)。由于各種網(wǎng)絡(luò)受其工作頻帶和技術(shù)等因素限制，覆蓋范圍差異很大，而且為了滿足機(jī)場(chǎng)和市中心等人多地區(qū)的高容量需求，可以在UMTS上重疊創(chuàng)建移動(dòng)寬帶系統(tǒng)，構(gòu)建多重網(wǎng)絡(luò)，并可根據(jù)用戶應(yīng)用對(duì)速率及QoS性能的要求，動(dòng)態(tài)地選擇接入網(wǎng)絡(luò)，在系統(tǒng)資源使用狀況發(fā)生變化時(shí)，還可以靈活地使應(yīng)用業(yè)務(wù)在不同的空中接口技術(shù)、不同的接入網(wǎng)絡(luò)間快速切換，前提是用戶終端具備多模、多頻帶操作能力。無(wú)論網(wǎng)絡(luò)如何互聯(lián)、網(wǎng)絡(luò)功能如何綜合或構(gòu)建怎樣的多重網(wǎng)絡(luò)，用戶只需提供所需業(yè)務(wù)的QoS要求，即可以得到透明服務(wù)，不必關(guān)心為其提供服務(wù)的具體技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)，也不用了解終端如何與不同的網(wǎng)絡(luò)協(xié)商QoS、網(wǎng)絡(luò)間如何進(jìn)行動(dòng)態(tài)全速的資源分配、終端如何在不同的技術(shù)模式和網(wǎng)絡(luò)間切換和漫游、漫游中不同的網(wǎng)絡(luò)如何克服通信操作的差異，自適應(yīng)地滿足其變化的QoS要求等等。上述寬帶化以及網(wǎng)絡(luò)集成的趨勢(shì)為第四代寬帶無(wú)縫移動(dòng)通信提供了網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)。
3. 軟件無(wú)線電的趨勢(shì)
為了實(shí)現(xiàn)無(wú)縫接入和透明業(yè)務(wù)，用戶終端必須是可多模、多頻帶操作，而且必須能自動(dòng)進(jìn)行模式識(shí)別，并可在用戶和網(wǎng)絡(luò)指示下或根據(jù)用戶及QoS要求，自適應(yīng)地進(jìn)行模式切換以及相應(yīng)的一系列操作，這樣的終端又稱為可配置終端。可配置終端將滿足人們對(duì)高靈活性、可擴(kuò)展性以及多功能通信設(shè)備的需求，真正實(shí)現(xiàn)個(gè)人通信的單號(hào)碼特征（無(wú)論在家、辦公室、移動(dòng)中以及任何通信環(huán)境均采用同一終端）。目前，對(duì)可配置終端的研發(fā)主要基于軟件無(wú)線電技術(shù)，軟件無(wú)線電技術(shù)被認(rèn)為是可以將不同形式的通信技術(shù)有效聯(lián)系在一起的唯一技術(shù)。
4. 靈活和自適應(yīng)的發(fā)展趨勢(shì)
包括了靈活的資源管理結(jié)構(gòu)和自適應(yīng)的端到端QoS保證。
不同網(wǎng)絡(luò)因地域的分布差異及資源管理可擴(kuò)展性的需要，要求資源管理采用一種分布式結(jié)構(gòu)，可采用固定網(wǎng)常用的智能代理方法第四代移動(dòng)通信綜合了多種RAT和網(wǎng)絡(luò)，但要求網(wǎng)絡(luò)層采用全I(xiàn)P的方式，實(shí)現(xiàn)無(wú)所不在的連接，不同的RAT提供無(wú)縫的下層業(yè)務(wù)承載。現(xiàn)在采用的技術(shù)一種是采用無(wú)線適配層，另一種是采用自適應(yīng)終端和QoS代理，而未來(lái)的趨勢(shì)將是以上方法或更多方法的有效結(jié)合。
四、結(jié)束語(yǔ)
至此我們討論了從現(xiàn)有通信系統(tǒng)向4G通信系統(tǒng)演化所面臨的難題，提出的技術(shù)和發(fā)展的趨勢(shì)。雖然不能預(yù)見(jiàn)在未來(lái)的4G通信系統(tǒng)最終會(huì)采取什么樣的技術(shù)，但是我們相信不論采用何種技術(shù)，寬帶，高速，靈活將是4G通信系統(tǒng)追求的目標(biāo)。 進(jìn)行自適應(yīng)配置和升級(jí)。第二種方法采用自適應(yīng)終端和QoS代理，QoS代理位于無(wú)線接入網(wǎng)中，當(dāng)終端檢測(cè)到另一種更適合的網(wǎng)絡(luò)模式時(shí)（包括重疊網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)情況的模式切換和跨多網(wǎng)絡(luò)時(shí)的模式間漫游），通知當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)中的QoS代理與新網(wǎng)絡(luò)中的QoS代理進(jìn)行業(yè)務(wù)QoS協(xié)商，協(xié)商完成時(shí)，新網(wǎng)絡(luò)中的QoS代理已通知資源管理控制模塊進(jìn)行相應(yīng)的資源預(yù)留，自適應(yīng)終端也根據(jù)協(xié)商的結(jié)果，自適應(yīng)地調(diào)整其業(yè)務(wù)參數(shù)，然后進(jìn)行模式轉(zhuǎn)換（即網(wǎng)間切換），每次切換時(shí)進(jìn)行同樣操作也可保證端到端的QoS。
